MODELLERING AV PARTIKKELSPREDNING I FJORDER - FØRDEFJORDEN OG REPPARFJORDEN

Transkript

1 Miljødirektoratet Postboks 5672 Sluppen 7485 TRONDHEIM Deres ref: Vår ref: 2014/987 BERGEN Arkivnr. Løpenr: 8208/2014 MODELLERING AV PARTIKKELSPREDNING I FJORDER - FØRDEFJORDEN OG REPPARFJORDEN Modellering av partikkelspredning i fjorder Havforskningsinstituttet har uttalt seg i flere saker angående effekter av å bruke fjordene som avfallsplass for gruveavgang. De mest aktuelle sakene har vært utslippene fra Sydvaranger Gruve til Bøkfjorden, og Nordic Mining og Nussir sine planer om nye gruveprosjekter med utslipp til henholdsvis Førdefjorden og Repparfjorden. Instituttet har gått nøye gjennom og gitt uttalelser i flere omganger om disse sakene. Uttalelsene våre omfatter vurderinger av søknader om utslippstillatelser og konsekvensutredninger. Havforskningsinstituttet har inntil nylig ikke hatt forskning på effekter av gruveavfall i fjorder. Derfor har vi brukt vår erfaring og ekspertise innenfor de aktuelle fagdisiplinene til å kommentere på søknadene. I våre vurderinger bygger vi på den informasjonen som foreligger i søknadene og konsekvensutredningene. Hvis vi mener at vesentlige forhold ikke er godt nok utredet så har vi kommentert dette. Generelt mener vi at disse sakene representerer store planlagte utslipp med udiskutable negative påvirkninger på fjordmiljøet og dets ressurser. Vi mener derfor at planene for Repparfjorden og Førdefjorden er en ikke bærekraftig bruk av disse fjordene. Når myndighetene allikevel ser ut til å tillate at fjorder blir omgjort til gruvedeponi så er det viktige temaer som bør analyseres. Et av de temaene vi har lagt vekt på er strømforhold og partikkelspredning i de to planlagte fjorddeponiene i Førdefjorden og Repparfjorden. Vi har påpekt mangler i kunnskapene om strømforhold og i modelleringsarbeidet som er utført. Dette har medført lange og vedvarende debatter mellom Havforskningsinstituttet og gruveindustrien sammen med de institusjonene som har utført strømmålinger og modelleringene for gruveindustrien. Havforskningsinstituttet har meget god kompetanse på fjordfysikk og modellering av strømmer og spredning av partikler i fjordsystemene. Derfor har vi brukt modeller til å simulere spredning av gruvepartikler i Førdefjorden og Repparfjorden. Dette har vi gjort for å underbygge og forklare våre faglige vurderinger. Hittil har vi presentert resultatene fra strømmodelleringen i et av våre egne tidsskrifter og i aviser og foredrag. Gruveindustrien har imidlertid uformelt etterlyst en bedre dokumentasjon av modellresultatene enn det vi normalt kan gjøre i foredrag og populærvitenskapelige artikler. Derfor har instituttets eksperter på fjordmodeller, Lars Asplin m. fl., forklart bakgrunnen for vår modellering i vedlagte notat (vedlegg 1). Havforskningsinstituttet Avdeling: Akvakultur og kystøkologi Org.no. NO Postboks 1870 Nordnes, 5817 Bergen Saksbehandler: Karin Kroon Boxaspen Bank: Tlf.: Tlf.: Swift-adr.: DNBANOKK Faks: E-post: karinb@imr.no IBAN: NO E-post: post@imr.no Besøk: Nordnesgaten 50

2 2 Instituttets kritikk av eksisterende spredningsmodellering har først og fremst vært at strømmodellene har vært for enkle, flere av de viktige drivkreftene og grenseverdiene har ikke vært med, og strømdata som er innhentet fra fjorden og brukt i modellen har ikke vært gode nok. I de aktuelle tilfellene har dette ført til at spredningspotensialet er betydelig underestimert. Erfaringene fra Bøkfjorden viser dette ved at bunnens miljøtilstandsklasse har endret seg fra "god" til "svært dårlig" helt ut til 7 km fra utslippspunktet over en periode på bare 2 år. Overvåkningsrapportene viser dette tydelig. Vi mener at det foreligger for lite dokumentasjon om hvor mye finpartikler og forurensning i form av f eks tungmetaller fra et utslipp som spres. Det hevdes at kjemikaliebruken i utvinningsprosessen er med på å binde de minste partiklene sammen slik at vekten øker og de får en høyere synkehastighet, og at sjøvannet i seg selv er med på å flokkulere partiklene. Erfaringene fra Bøkfjorden viser imidlertid at avfallet sprer seg og får en negativ påvirkning på bunnøkosystemet langt utenfor det som normalt ville defineres som deponiområde, til tross for omfattende kjemikaliebruk. Spredningsmekanismene og deres innbyrdes betydning kan imidlertid diskuteres. Det kan tenkes at fine partikler i suspensjon ved bunnen kan generere tetthetsstrøm langs bunnen siden Bøkfjorden skråner utover. Hvorvidt dette er en virksom mekanisme er ikke undersøkt. Det er ikke forsket på slike strømmer i norske fjorder siden fjordene er dype og generelt sett vil eventuelle turbiditetsstrømmer bidra lite til det som foregår i vannmassene ellers. Hvis det forekommer spredning langs skrånende fjordbunner ved hjelp av turbiditetsstrømmer, så er dette bare enda en måte forurensningene kan spres på. I Førdefjorden f eks kan vi ikke tenke oss at turbididtetsstrømmer kan dannes på den flate fjordbunnen som nå finnes. Men, utslippene skal foregå i mange ti-år og det vil bygge seg opp en kjegle av gruveavfall. Dette vil føre til at det til stadighet vil rase gruveavfall ned skråningen. Det kan også tenkes at det vil dannes turbiditetsstrømmer som kan føre de fineste partiklene langt av gårde. Dette vil i tilfelle være et resultat av at dumpingen endrer bunnprofilen i det aktuelle fjordavsnittet. Det vi har gjort er å simulere spredningspotensialet for svevende partikler basert på ordinære strømmer skapt av skiftende forskjeller i tettheten av vannmasser mellom indre deler og ytre deler av fjordene. Slike tetthetsendringer forekommer regelmessig og er et naturlig fenomen knyttet til kyststrømmen. Dette fører til relativt svake (< 10 m/s), men ofte langvarige (flere dager) ensrettede strømmer som vil gi utskiftning av vann og gruvepartikler. Det er også verdt å merke seg at slike strømmer forekommer EPISODISK med noen dagers varighet, altså vil en langtidsmiddelverdi for strøm maskere denne effekten (noe Veritas f. eks. gjør i Førdefjorden: De presenterer kun langtidsmiddelverdier av det de måler, og ikke frekvens og styrke på enkeltepisoder). En partikkelspredningssimulering vil illustrere effekten av slike episoder ved at partiklene i lengre tid kan bevege seg fram og tilbake over en kort avstand pga. tidevannet for så plutselig sette avsted som om de hadde kommet seg ombord på et tog. På denne måten kan store mengder partikler spres utover et langt større område enn hva som fremkommer hvis disse episodiske strømmene ikke inkluderes i modellen. Vi har ikke utført kvantitativ modellering for å vise hvor mye gruvepartikler som blir spredt hvor langt og i hvilke konsentrasjoner, men å simulere spredning av partikler i et fast dyp illustrerer den strømmen som er på dette dypet. Det hevdes at strømmen er for svak for vesentlig spredning, men vi illustrerer at dette ikke er tilfellet. Svake, men vedvarende strømmer vil generelt gjøre områder uegnet for deponering av gruveslam. Resultatene fra vår modellering viser at i Repparfjorden er spredningspotensialet for små partikler svært høyt. I Førdefjorden vil partiklene spre seg i hele det indre bassenget og etter hvert som utslippspunktet blir grunnere (slik planene viser) vil faren for spredning ut av fjordbassenget øke betraktelig. Når figurene for Repparfjorden viser spredning langt ut i kystøkosystemet etter 120

3 3 døgn betyr det ikke at vi vil få skadelige konsentrasjoner utenfor Repparfjorden. Det vet vi ingenting om, modelleringen viser bare hvor åpent systemet er. Vi håper at disse opplysningene kan virke oppklarende for Miljødirektoratet når dere siden skal vurdere de miljømessige konsekvensene av de planlagte utslippene. Vennlig hilsen Karin Kroon Boxaspen Fungerende administrerende direktør Jan Helge Fosså Seniorforsker Kopi til: Nærings- og fiskeridepartementet Fiskeridirektoratet Norges fiskarlag Norsk bergindustri Klima og miljødepartementet Vedlegg Notat fra Lars Asplin med Appendiks 1 og 2

4 Strømning i dypet av Repparfjorden Notat Havforskningsinstituttet, desember Lars Asplin, Jofrid Skardhamar, Anne Sandvik og Jon Albretsen Bakgrunn Havforskningsinstituttet gjennomfører en årlig overvåkning av lakselusspredning i Altafjordområdet. I den sammenhengen har vi etablert en strømmodell som også inkluderer Repparfjorden. Siden Repparfjorden er anbefalt som dumpingsområde for gruveavfall, finner vi det riktig å formidle våre resultater med relevans for denne problematikken. Spesielt siden våre resultater avviker fra gruveselskapets egen undersøkelse ved å ha større sirkulasjon. Metodikk Vi har beregnet strøm for perioden mars-august 2013 og har anvendt et koblet modellsystem der en strømmodell med relativt høy romlig oppløsning (160m ganger 160m) danner det mest detaljerte nivået. Randverdier til denne hentes fra strømmodellen NorKyst800 og atmosfæriske drivkrefter er beregnet med vindmodellen WRF (3 km romlig oppløsning). Tilsvarende modelloppsett er i bruk av Havforskningsinstituttet langs hele Norskekysten, og kvaliteten på resultatene er tilfredsstillende der vi har hatt mulighet til å validere dem. Nærmere beskrivelser av modellsystemet og validering er gitt i Albretsen m.fl. (2011), Asplin m.fl. (2104), Johnsen m.fl. (2014) og Taranger m. fl. (2014). Vår erfaring med beregning av strøm med numeriske modeller er at drivkrefter og grenseverdier er av stor betydning for et realistisk resultat. For dypvannsstrøm i fjorder som Repparfjorden vil variasjoner av vannmassene tyngde på kysten utenfor fjorden være avgjørende, og denne må representeres med en oppløsning i tid med verdier helst hver time. Resultater Strømmen i de øvre m i en fjord er direkte påvirket av drivkrefter fra bl.a. vind, ferskvann og tidevann, og det er vanligvis her de høyeste hastighetene forekommer. Strømmen i 50 m dyp vil være redusert en hel del i forhold til de øvre vannlagene siden det er færre og svakere drivkrefter som danner strøm på dette dypet. Her er det kun tidevannet og horisontale trykkforskjeller på grunn av ulik tyngde av laterale vannmasser som virker inn. I dette notatet presenterer vi utelukkende strøm i 50 m dyp, noe som vil være relativt nær bunnen inne i Repparfjorden. Middelstrømfart for 50 m dyp i hele modellområdet viser at det er lavere hastigheter innerst i fjordene enn i smalere sund og områdene nærmere kysten (Figur 1). Den høyeste midlere strømfarten i dette dypet vil overgå 0,2 m/s. I Repparfjorden er middelstrømmen lavere med omkring 0,04-0,05 m/s (Figur 2). For hele den 165 dagers lange simuleringsperioden er det en midlere innstrømning langs land på sydsiden av fjorden (venstre på figuren) og strøm ut på nordsiden (høyre). I innsnevringen ved Markopneset øker middelhastigheten noe, til verdier omkring 0,06-0,07 m/s. Strømfarten i 50 m dyp fra posisjonen P1 (angitt i Figur 2) for perioden mars-august 2013 viser et 1

5 varierende bilde med nokså regelmessig verdier over 0,15 m/s (Figur 3) og flere høye verdier mot slutten av simuleringen, dvs. om sommeren. Transport av vannmasser og vannutskiftning er viktig for fjorder, og Repparfjorden framstår som en typisk Nord-Norsk terskelløs fjord med hyppig vannutveksling. Vanntransporten skjer ikke med middelstrømmen, men med den reelle strømmen fra time til time. Vanntransporten kan også være vanskelig å estimere ut fra oppstillinger av strømfart slik det er gjort i Figur 3. For å forstå spredningspotensialet i en fjord er det derfor viktig å analysere tidsutviklingen av strømmen, og vi vil finne at vannutveksling foregår episodisk. Tidevannet er episodisk, men har ensrettet strøm kun i 5-6 timer av gangen. Repparfjorden er drøyt 10 km lang og med en strømhastighet på 0,2 m/s vil tranporten av vann med tidevannet bare flytte vannmassene ca. halve fjordlengden innenfor hver periode. En strømepisode med 2 dagers varighet og midlere strømhastighet på 0,06 m/s vil derimot transportere en vannmasse ut av Repparfjorden. Tidsserier av strøm langs fjordaksen i 50 m dyp for posisjonene P1 og P2 (angitt i Figur 2) viser at strømmen inneholder et relativt kraftig tidevannssignal (blå linje) samtidig som det er en definert reststrøm (rød linje, Figur 4 og 5). Reststrømmen varierer med perioder av noen dagers varighet. Strømhastigheten av reststrømmen i de kraftigste episodene er nesten like høye som for tidevannsstrømmen. I løpet av perioden mars-august 2013 er det mulig å identifisere flere 10-talls episoder med innstrømning og utstrømning. For å se mer inngående på noen av disse episodene med innstrømning og utstrømning, har vi valgt tidsperiodene markert med sorte piler i Figur 4. Den første perioden representerer en utstrømning og foregår den 21 og 22. mars (Figur 6). Langs nord-østsiden av hele Repparfjordens lengde strømmer det i middel ut vann i denne perioden med hastighet mellom 0,05 og 0,1 m/s. Neste episode har lengre varighet og foregår mellom 10. og 16. mai. Dette er en innstrømningsepisode langs sør-vestre side av fjorden som også dekker hele Repparfjorden samt Sammelsundet utenfor og med strømhastigheter mellom 0,05 og 0,10 m/s (Figur 7). Legg merke til at strømmen er smal, kanskje bare ca. 500 m bred. For å illustrere hvordan tidevannet virker har vi plottet øyeblikksverdier av strømmen i 50 m dyp hver andre time mellom 10. mai klokka 10 og klokka 20 (Figur 8). I begynnelsen av perioden er det innoverrettet tidevannsstrøm, noe som bidrar til å øke hastigheten på reststrømmen. Etterhvert som tidevannet snur blir strømmønsteret mer utydelig og stopper helt opp der strømmen fra tidevannet den ene veien utlignes av reststrømmen den andre veien. Tidevannet bidrar med sin relativt korte periode (M2 = 12,42 timer) med lite nettotransport av vannet, men som det går fram av figuren vil det skje endel horisontal blanding. Sommeren er den perioden vannmassene er mest lagdelt pga. tilført ferskvann og varme, og dette gir opphav til sterkere interne trykkrefter. Den 7-8. juni var det en utstrømningsepisode med både relativt kraftig og vid strøm langs den nord-østre siden av fjorden (Figur 9). Noen dager senere, mellom 15. og 17. juli, finner vi en innstrømningsepisode som har skapt en betydelig strøm i nærheten av Markopneset (Figur 10). I perioden juli foregår det en betydelig 2

6 utstrømning fra Repparfjorden der det i hele 10 dager er en gjennomsnittlig transport av vannmasser helt fra fjordbunnen og ut hele Sammelsundet (Figur 11). Årsaken til disse strømepisodene er forskjeller i laterale vannmassers tyngde, noe som skaper horisontale trykkforskjeller i dypet. Strømmen vil oppstå som en del av en langperiodisk indre bølge i en naturlig tilpasning til et trykkfelt i endring. Et enkelt mål på trykkforskjeller i 50 m dyp er gitt ved verdien av saltholdigheten mellom posisjoner. Selv om tyngden av vannmassene opp til overflaten ikke nødvendigvis er fullstendig representert ved denne verdien, gir verdien av saltholdighet på dette dypet likevel en indikasjon på sannsynlig trykkraft. Fra verdien av den modellerte saltholdigheten i 50 m dyp for posisjonene P1 og P2 (angitt i Figur 2) fra simuleringsresultatene finner vi svingninger som stemmer overens med de episodene med innstrømning og utstrømning vi har vist forekommer i Repparfjorden (Figur 12). Forenklet vil det være at dersom saltholdigheten i P1 inne i Repparfjorden er høyere enn saltholdigheten P2 utenfor, indikerer det at det er en trykkraft ut fjorden som vil skape en utadgående strøm i 50 m. Motsatt vil være tilfellet om saltholdigheten ved P2 er større enn P1. Figur 1. Midlere strømfart (m/s) i 50 m dyp i perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. 3

7 Figur 2. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. Figur 3. Timesverdier av strømfart i 50 m dyp ved posisjonen P1 (Figur 2) for perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Figur 4. Timesverdier av strømkomponenten langs fjordaksen i 50 m dyp ved posisjonen P1 (Figur 2) samt 24t lavpassfiltrerte verdier (reststrøm uten tidevann) for perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Negative 4

8 verdier er strøm inn fjorden. De sorte pilene angir episoder som beskrives senere i notatet. Figur 5. Timesverdier av strømkomponenten langs fjordaksen i 50 m dyp ved posisjonen P2 (Figur 2) samt 24t lavpassfiltrerte verdier (reststrøm uten tidevann) for perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Negative verdier er strøm inn fjorden. 5

9 Figur 6. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden mars 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. Figur 7. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden mai 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. 6

10 Figur 8. Utsnitt fra Repparfjorden av strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp hver andre time mellom klokka 10 og klokka 20 den 10. mai 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. 7

11 Figur 9. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden 7-8. juli 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. Figur 10. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden juli 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. 8

12 Figur 11. Utsnitt fra Repparfjorden av midlere strømfart (m/s) og strømvektorer i 50 m dyp i perioden juli 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. Kartet er rotert med klokka i forhold til nord. Figur 12. Timesverdier av saltholdighet i 50 m dyp ved posisjonene P1 og P2 (Figur 2) for perioden mars-august 2013 fra de numeriske strømmodellresultatene. 9

13 Konklusjon Vi finner at Repparfjorden har regelmessig vannutveksling med kysten, noe som er typisk for terskelløse fjorder i Nord-Norge. Vanntransporten forekommer i episoder fra noen timer til noen dagers varighet, og er forårsaket av horisontale trykkforskjeller mellom fjordvannet og kystvannet skapt av ulik vertikal lagdeling og tyngden av vannkolonnen. Strømhastighetene i episodene kan komme opp i over 0,1 m/s. Tidevannsstrømmen i Repparfjorden er også relativt sterk med en maksimal strømfart nær 0,3 m/s. Tidevannet er likevel ingen effektiv transportmekanisme på grunn av den korte perioden med ensrettet strøm. Derimot er tidevannsstrømmen effektiv til å blande og røre rundt i vannmassene. Resultatene bekrefter at det er viktig å inkludere alle relevante drivkrefter for å gjenskape realistisk strøm i fjordene. Spesielt i dypere vannlag vil en ikke kunne beskrive episodene med innstrømning og utstrømning uten en god randverdi mot kysten (eventuelt at modellområdet er veldig stort). Analysen og presentasjonen av resultatene er også viktig for å belyse vesentlige sider av sirkulasjonen. Ved for eksempel bare å presenterer oppstillinger av strømfart er det vanskelig å identifisere de ulike innstrømning- og utstrømningsepisodene. Også middelfelt over lengte perioder, f.eks. en måned, kan være med på å maskere viktige episoder av noen dagers varighet. Referanser og generell litteratur Albretsen J, Sperrevik AK, Staalstrøm A, Sandvik AD, Vikebø F, Asplin L NorKyst-800 report no. 1: User manual and technical descriptions. Fisken og Havet, Institute of Marine Reserch 2/ pages. Asplin L, Salvanes AGV, Kristoffersen JB Non-local wind- driven fjordcoast advection and its potential effect on plankton and fish recruitment. Fisheries Oceanography, 8: Asplin, L., Johnsen, I.A., Sandvik, A.D., Albretsen, J., Sundfjord, V., Aure, J. & K.K. Boxaspen Dispersion of salmon lice in the Hardangerfjord. Marine Biology Research, 10:3, , DOI: / Ciannelli L, Knutsen H, Olsen EM, Espeland SH, Asplin L, Jelmert A Maintenance of small-scale genetic stucture in a marine population in relation to water circulation and egg characteristics. Ecology, 91: Farmer D.M., Freeland H.J The Physical Oceanography of Fjords, Progress in Oceanography, Vol. 12, pp Johnsen, I.A., Fiksen, Ø., Sandvik, A.D., Asplin, L., Vertical salmon lice behaviour as a response to environmental conditions and its influence on regional dispersion in a fjord system, Aquaculture Environment Interactions, 5, DOI: /aei

14 Klinck JK, O Brien JJ, Svendsen H., A simple model of fjord and coastal circulation interaction. Journal of Physical Oceanography, 11: Stigebrandt A Hydrodynamics and circulation of fjords. In: Bengtsson L, Herschy RW, Fairbridge RW, editors. Encyclopedia of Lakes and Reservoirs. Berlin: Springer, p F. R. Cottier F.R., Nilsen F., Skogseth R., Tverberg V., Skardhamar J., Svendsen H Arctic fjords: a review of the oceanographic environment and dominant physical processes. From: Howe, J. A., Austin, W. E. N., Forwick, M. & Paetzel, M. (eds) Fjord Systems and Archives. Geological Society, London, Special Publications, v. 344, p DOI: /SP344.4 Inall M.E., Gillibrand P.A The physics of mid-latitude fjords: a review. From: Howe, J. A., Austin, W. E. N., Forwick, M. & Paetzel, M. (eds) Fjord Systems and Archives. Geological Society, London, Special Publications 2010; v. 344; p doi: /sp344.3 Taranger m. fl., Risikovurdering norsk fiskeoppdrett. Fisken & Havet, særnummer , 155 sider. 11